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單片機設計中抗干擾措施

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單片機開發.jpg

     增強了單片機設計自身的可靠性。近幾年為了提高單片機的可靠性,廠家采取了一系列措施。這主要體現在以下幾個方面:

  1.降低外時鐘頻率 外鐘表是一種高頻噪聲源,它除了會對本應用系統造成干擾外,還會產生對外部干擾,使 EMC檢測不合格。對于系統的可靠性要求很高的應用系統,選擇低頻率的單片機是降低系統噪聲的一個原則。對于8051單片機來說,最短指令周期1微秒時,外部時鐘可達12 MHz。與 Motorola相同速度的單片機系統時鐘僅為4 MHz,更適用于工業控制系統。近幾年,一些兼容8051單片機的廠商也采用了一些新技術,在不犧牲運算速度的情況下,將外部時鐘需求降低到原來的1/3。Motorola單片機在最新發布的68HC08系列和16/32位單片機中,普遍采用了內部瑣相環技術,將外部時鐘頻率降低到32 KHz,內部總線速度則提高到8 MHz甚至更高。

  2.低噪聲系列單片機設計中 常規集成電路設計中,在電源、地面引出時,一般都布置在對稱的兩側。比如左下為地面,右下角為電源。這樣就可以讓電源噪音穿過整個硅片。該技術將電源、地布置在兩個相鄰的插腳上,這一方面降低了通過整個硅片的電流,一方面使得外部去耦電容在 PCB設計上更容易排列,以減少系統噪聲。減少集成電路設計中噪聲的另一個例子是驅動電路的設計。。有些單片機提供一系列高電流輸出管腳,從幾十毫安到幾百毫安。這種大功率的驅動電路集成在單片機中無疑增加了噪聲源。采用一根大功率管并聯成幾個小管子,再在每一輸出端設置不同阻值的電阻,從而消除了跳變沿的影響。減少 di/dt值。

  3.鐘表監控電路、看門狗技術和低電壓復位監控系統時鐘,當發現系統時鐘停止時,會產生系統復位信號來恢復系統時鐘,是單片機提高系統可靠性的措施之一。其中時鐘監控與省電指令 STOP是一對矛盾。只有其中一個使用。看門狗技術就是在應用程序中監控一段定時中斷服務程序的運行狀態,當這個程序不工作時就判斷為系統故障,導致系統重置。低壓復位技術是監控單片機的電源電壓,當電壓低于一定值時產生復位信號。隨著單片機技術的發展,單片機自身對電壓范圍的要求也越來越高。供電電壓從最初的5 V降到3.3 V,然后繼續降低到2.7 V,2.2 V,1.8 V。當使用低電壓復位功能時,應根據具體應用情況進行權衡。

  4. EFT技術新推出的 MotorolaM68HC08系列單片機采用 EFT (Electrical Fast Transient)技術,進一步提高了單片機設計的抗干擾能力。在振動電路的正弦波信號受到外界干擾時,其波形上會出現一些毛刺。用施密特電路對它進行整型時,這個毛刺就成為時鐘信號,觸發信號干擾正常。采用施密特電路和 RC濾波器的交替使用可使這種毛刺失效,這稱為 EFT技術。由于超大規模集成電路技術的不斷發展,電路內抗干擾技術也在不斷發展。

  5.軟硬件措施也有單片機本身在指令設計上也有一些抗干擾的考慮。不合法指令復位或非法指令中斷是指程序遇到非法指令或非法的尋址空間能夠產生復位或中斷。MCU應用系統程序是預先編寫的,不會有非法指令或尋址。可能是系統被干擾, CPU讀取指令時出錯。上述提及的是目前廣泛使用的單片機應具備的內部抗干擾措施。選擇單片機時,要先檢查這些性能是否具備,才能設計出高可靠性的系統。對于應用軟件設計,設計師都有自己的經驗。在此要提醒的是,最后要處理的是未使用的 ROM。其原理是,萬一程序可以自行恢復的話。

一、如何解決單片機開發的抗干擾性問題

     預防干擾最有效的方法是去除干擾源,隔斷干擾路徑,但是往往很難做到,所以只能看單片機的抗干擾能力是否足夠強。單片機設計干擾最常見的現象是復位;至于程序飛行,其實也可以用軟件陷阱和看門狗把程序拉回復位狀態;因此,單片機開發軟件抗干擾最重要的是處理好復位狀態。普通單片機都會有一些標志寄存器,可以用來判斷復位的原因;此外,您還可以自己在RAM中嵌入一些標志。每一次程序復位,通過判斷這些標志,就能判斷出不同的復位原因;也可以根據不同的標志直接跳到相應的程序。這能使程序運行具有連續性,用戶在使用時也不會發現程序已經重新復位。

二、 如何測試單片機開發系統的可靠性

   在一個單片機系統設計完成后,對不同的單片機系統產品將有不同的測試項目和方法,但其中有些是需要測試的:
   1.單片計算機軟件功能測試。測試了全部的單片機系統功能,測試軟件是否正確書寫完整。
   2、充電、掉電試驗。用戶在使用中必然會遇到上電和掉電的情況,可進行多次開關電源,以測試單片機系統的可靠性。
   3.衰老試驗在長時間工作狀態下測試單片機開發系統的可靠性。需要時可進行高溫、高壓和強電磁干擾環境的試驗。
   4、ESD和EFT等測試。可以使用各種干擾模擬器來測試單片機系統的可靠性。例如使用靜電模擬器測試單片機系統的抗靜電ESD能力;使用突波雜訊模擬器進行快速脈沖抗干擾EFT測試等。